JP2011115120A - Method for preparing microorganism-carrying carrier for forming methane gas from lignocellulose-based biomass - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リグノセルロース系バイオマスからメタンガスを生成するための微生物担持担体の作製方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、リグノセルロース系バイオマス、特に稲藁等の藁からメタンガスを生成するのに好適な微生物担持担体の作製方法と、この微生物担持担体を利用したメタンガス生成方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a microorganism-supporting carrier for producing methane gas from lignocellulosic biomass. More specifically, the present invention relates to a method for producing a microorganism-supporting carrier suitable for producing methane gas from lignocellulosic biomass, particularly rice straw, and a method for producing methane gas using the microorganism-supporting carrier.
セルロース、ヘミセルロース及びリグニンを含むバイオマスであるリグノセルロース系バイオマスは、地球上に存在する主要なバイオマスであり、カーボンニュートラルなエネルギー源としての利用の拡大が望まれている。 Lignocellulosic biomass, which is a biomass containing cellulose, hemicellulose, and lignin, is a major biomass present on the earth, and its expansion as a carbon neutral energy source is desired.
リグノセルロース系バイオマスとしては、例えば、針葉樹材、広葉樹材、非樹木系材及びその廃棄物等が挙げられる。この中でも特に、非樹木系材の廃棄物に該当する稲、大麦、小麦及びトウモロコシ等の藁が世界各国において毎年大量に発生し、その処分に苦慮している。このことはわが国においても例外ではない。わが国では主要農産物である稲の非可食部として稲藁が毎年大量に発生し、その処分に苦慮している状況にある。そこで、稲藁等の藁の有効利用が切望されている状況にある。 Examples of lignocellulosic biomass include softwood materials, hardwood materials, non-tree materials, and wastes thereof. In particular, rice, barley, wheat, corn, and other straws, which are non-wood wastes, are produced in large quantities every year in the world and are difficult to dispose of. This is no exception in Japan. In Japan, a large amount of rice straw is generated every year as a non-edible part of rice, the main agricultural product, and it is difficult to dispose of it. Therefore, there is a strong demand for effective use of rice straw.
ところで、リグノセルロース系バイオマスをエネルギー源として利用する方法の一つとして、メタン発酵によりリグノセルロース系バイオマスを炭素源としてメタンガスを生成し、このメタンガスをエネルギーとして利用することが提案されている。ところが、リグノセルロース系バイオマスに含まれる難分解物質であるリグニンによってセルロースとヘミセルロースの生物分解が阻害されてしまうことから、リグノセルロース系バイオマスを直接メタン発酵に供しても、メタンガスを高効率に生成できないことが問題となっていた。 By the way, as one method of using lignocellulosic biomass as an energy source, it has been proposed to generate methane gas using lignocellulosic biomass as a carbon source by methane fermentation and to use this methane gas as energy. However, since the biodegradation of cellulose and hemicellulose is inhibited by lignin, which is a hardly decomposable substance contained in lignocellulosic biomass, methane gas cannot be produced with high efficiency even when lignocellulosic biomass is directly subjected to methane fermentation. That was a problem.
そこで、この問題を解決する方法として、リグノセルロース系バイオマスに何らかの前処理を施すことにより、生物分解されやすい状態としてから、メタン発酵に供する方法が提案されている。 Therefore, as a method for solving this problem, a method of subjecting lignocellulosic biomass to some kind of pretreatment to make it readily biodegradable and then subjecting it to methane fermentation has been proposed.
例えば、特許文献1では、リグノセルロース系バイオマスを白色腐朽菌を用いて腐朽させた後、腐朽化されたバイオマスを耐圧容器に入れて高温(180℃以下)の蒸気を導入して一定時間保持してから耐圧容器を一気に大気解放してバイオマスを破砕(蒸煮爆砕処理)し、破砕されたバイオマスをメタン発酵に供するようにしている。 For example, in Patent Document 1, lignocellulosic biomass is rotted using white rot fungi, then the rotified biomass is placed in a pressure resistant vessel, and high-temperature (180 ° C or lower) steam is introduced and held for a certain period of time. After that, the pressure vessel is released to the atmosphere at once, and the biomass is crushed (steamed and crushed), and the crushed biomass is subjected to methane fermentation.
また、特許文献2では、リグノセルロース系バイオマスを乾燥・微細化する手段と、乾燥・微細化過程にあるバイオマスを供給オゾンと反応させて含有リグニンを分解するオゾン反応手段とを有するオゾンリアクターによって、リグノセルロース系バイオマスを前処理してから、メタン発酵に供するようにしている。 Further, in Patent Document 2, by means of an ozone reactor having means for drying / miniaturizing lignocellulosic biomass and ozone reaction means for decomposing the contained lignin by reacting the biomass in the drying / miniaturization process with supply ozone, Lignocellulosic biomass is pretreated and then subjected to methane fermentation.
しかしながら、特許文献1に記載された方法では、白色腐朽菌による腐朽処理を行う上で白色腐朽菌に適した環境(温度・湿度)を維持するためのエネルギーや、蒸煮爆砕処理に用いる高温水蒸気を発生させるためのエネルギーを必要とすることから、リグノセルロース系バイオマスをメタン発酵に供する前段階でエネルギーが消費されて、リグノセルロース系バイオマスからのエネルギー生産効率が低下してしまうという問題を抱えていた。 However, in the method described in Patent Document 1, energy for maintaining an environment (temperature / humidity) suitable for white rot fungi when performing the rot treatment with white rot fungi, and high-temperature steam used for steaming explosion treatment are used. Since it requires energy to generate it, it had a problem that energy was consumed before lignocellulosic biomass was subjected to methane fermentation and energy production efficiency from lignocellulosic biomass was reduced. .
特許文献2に記載された方法においても、オゾンを発生させるためのエネルギーが必要であり、リグノセルロース系バイオマスをメタン発酵に供する前段階でエネルギーが消費されて、リグノセルロース系バイオマスからのエネルギー生産効率が低下してしまうという特許文献1と同様の問題を抱えていた。 Also in the method described in Patent Document 2, energy for generating ozone is required, and energy is consumed in the previous stage of subjecting lignocellulosic biomass to methane fermentation, and energy production efficiency from lignocellulosic biomass. Has the same problem as Patent Document 1 in that it decreases.
また、上記の通り、リグノセルロース系バイオマスは地球上に存在する主要なバイオマスであることから入手が容易であると共に、特に稲藁等の藁については、その有効利用が切望されている状況にある。かかる状況下、リグノセルロース系バイオマスをメタン発酵に供する前段階でのエネルギー消費を抑えながらも、リグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成を効率よく行うことのできる技術を確立することができれば、新たなエネルギー生産技術として極めて有効なものとなる。 In addition, as described above, lignocellulosic biomass is easy to obtain because it is the main biomass present on the earth, and especially for rice straw and other straw, there is a demand for its effective use. . Under such circumstances, if energy can be efficiently generated from lignocellulosic biomass while suppressing energy consumption in the previous stage of lignocellulosic biomass for methane fermentation, new energy can be established. This is extremely effective as a production technology.
そこで、本発明は、リグノセルロース系バイオマスをメタン発酵に供する前段階でのエネルギー消費を抑えながらも、リグノセルロース系バイオマスのメタン発酵を促進することのできる微生物担持担体を作製する方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a method for producing a microorganism-supporting carrier capable of promoting methane fermentation of lignocellulosic biomass while suppressing energy consumption in the previous stage of subjecting lignocellulosic biomass to methane fermentation. With the goal.
また、本発明は、リグノセルロース系バイオマスをメタン発酵に供する前段階でのエネルギー消費を抑えながらも、リグノセルロース系バイオマスのメタン発酵を促進させて、メタンガス生成を効率よく行うことのできる方法を提供することを目的とする。 In addition, the present invention provides a method capable of efficiently generating methane gas by promoting methane fermentation of lignocellulosic biomass while suppressing energy consumption in the previous stage of subjecting lignocellulosic biomass to methane fermentation. The purpose is to do.
かかる課題を解決するため、本願発明者等は鋭意研究を行った。まず、メタン発酵液に稲藁を添加してメタン発酵を行った。その結果、水理学的滞留時間を15日(有機物負荷量:620mgCOD/L/日)に設定して15日間経過した後、水理学的滞留時間を10日(有機物負荷量:970mgCOD/L/日)に設定すると、メタンガス生成速度が徐々に低下することが確認された。ところが、メタン発酵液に稲藁と共に炭素繊維不織布を添加して同様の実験を行ったところ、意外にも水理学的滞留時間を10日に設定してもメタンガス生成速度が低下することなく、実験終了時の45日目まで増加し続けることが確認された。 In order to solve such a problem, the inventors of the present application conducted intensive research. First, rice straw was added to the methane fermentation broth to perform methane fermentation. As a result, the hydraulic residence time was set to 15 days (organic load: 620 mg COD / L / day) and after 15 days had elapsed, the hydraulic residence time was set to 10 days (organic load: 970 mg COD / L / day). ), It was confirmed that the methane gas production rate gradually decreased. However, a similar experiment was conducted by adding a carbon fiber nonwoven fabric together with rice straw to the methane fermentation broth. Surprisingly, even if the hydraulic retention time was set to 10 days, the methane gas production rate did not decrease, and the experiment was conducted. It was confirmed that it continued to increase until the 45th day at the end.
また、本願発明者等は、炭素繊維不織布の添加の有無によるメタン発酵状態の差異を確認すべく各種分析を行ったところ、炭素繊維不織布を添加しなかった場合には、メタン発酵液中に揮発性脂肪酸が大量に蓄積していた。これに対し、炭素繊維不織布を添加した場合には、メタン発酵液中における揮発性脂肪酸の蓄積が殆ど見られなかった。このことから、リグノセルロース系バイオマスを直接メタン発酵に供すると、揮発性脂肪酸が蓄積し易く、このことが、メタンガス生成速度が徐々に低下した要因であることを突き止めると共に、炭素繊維不織布をメタン発酵液に添加することで、揮発性脂肪酸の蓄積を防ぐ効果があることを知見するに至った。 The inventors of the present application conducted various analyzes to confirm the difference in the methane fermentation state depending on the presence or absence of the addition of the carbon fiber nonwoven fabric. When the carbon fiber nonwoven fabric was not added, the inventors volatilized in the methane fermentation liquid. A large amount of sex fatty acid was accumulated. On the other hand, when a carbon fiber nonwoven fabric was added, almost no accumulation of volatile fatty acids was observed in the methane fermentation broth. From this, when lignocellulosic biomass is directly subjected to methane fermentation, it is easy to accumulate volatile fatty acids. It came to know that there is an effect which prevents accumulation | storage of a volatile fatty acid by adding to a liquid.
そこで、本願発明者等は、炭素繊維不織布をメタン発酵液に添加することにより揮発性脂肪酸の蓄積を防ぐことが出来る理由を探るべく、炭素繊維不織布に付着している菌叢を遺伝子工学的に解析した。その結果、揮発性脂肪酸をメタンガスに変換することのできる酢酸資化性メタン菌が炭素繊維不織布に優占的に担持されていることを確認した。さらに、嫌気性セルロース分解菌が炭素繊維不織布に担持されていることも確認した。 Therefore, the present inventors have genetically engineered the bacterial flora adhering to the carbon fiber nonwoven fabric in order to find out why the volatile fatty acid accumulation can be prevented by adding the carbon fiber nonwoven fabric to the methane fermentation broth. Analyzed. As a result, it was confirmed that an acetic acid-assimilating methane bacterium capable of converting volatile fatty acid into methane gas is preferentially supported on the carbon fiber nonwoven fabric. Furthermore, it was also confirmed that the anaerobic cellulose-degrading bacteria are supported on the carbon fiber nonwoven fabric.
本願発明者等は、この解析結果から、炭素繊維不織布等の微生物を担持し得る疎水性担体に嫌気性セルロース分解菌を担持させると共に、酢酸資化性メタン菌を担持させて、セルロース分解能とセルロースの分解産物である揮発性脂肪酸の蓄積抑制能及び揮発性脂肪酸からのメタンガス生成能を備えた微生物担持担体を作製できることを知見した。さらに、この微生物担持担体を利用してリグノセルロース系バイオマスのメタン発酵を行うことで、リグノセルロース系バイオマスから効率よくメタンガスを生成できることを知見し、本願発明を完成するに至った。 Based on the analysis results, the inventors of the present invention supported an anaerobic cellulose-degrading bacterium on a hydrophobic carrier capable of supporting microorganisms such as carbon fiber nonwoven fabric, and also supported an acetic acid-assimilating methane bacterium to produce cellulose resolving power and cellulose. It was found that a microorganism-supporting carrier having the ability to suppress the accumulation of volatile fatty acids, which are degradation products of methane, and the ability to generate methane gas from volatile fatty acids can be produced. Furthermore, it has been found that methane gas can be efficiently generated from lignocellulosic biomass by performing methane fermentation of lignocellulosic biomass using this microorganism-supported carrier, and the present invention has been completed.
即ち、本発明のリグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成用の微生物担持担体の作製方法は、嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌を少なくとも含む微生物群集が添加された懸濁液に微生物を担持し得る担体を添加すると共に、懸濁液にリグノセルロース系バイオマスを添加して微生物群集によりリグノセルロース系バイオマスの分解反応を進行させる工程を含むようにしている。 That is, in the method for producing a microorganism-supporting carrier for producing methane gas from lignocellulosic biomass of the present invention, microorganisms are added to a suspension to which a microorganism community containing at least anaerobic cellulose-degrading bacteria and acetic acid-assimilating methane bacteria is added. In addition to adding a carrier that can be supported, a step of adding a lignocellulosic biomass to the suspension and advancing the decomposition reaction of the lignocellulosic biomass by a microbial community is included.
ここで、本発明の微生物担持担体の作製方法において、微生物群集には、嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌に加えて、さらに水素資化性メタン菌及び糖分解菌の少なくともいずれかを含むことが好ましい。 Here, in the method for producing a microorganism-supporting carrier of the present invention, the microorganism community includes an anaerobic cellulose-decomposing bacterium and an acetic acid-assimilating methane bacterium, and at least one of a hydrogen-assimilating methane bacterium and a saccharolytic bacterium. It is preferable to contain.
また、本発明の微生物担持担体の作製方法において、懸濁液はメタン発酵汚泥またはメタン発酵汚泥含有液であることが好ましい。 In the method for producing a microorganism-supporting carrier of the present invention, the suspension is preferably methane fermentation sludge or a methane fermentation sludge-containing liquid.
さらに、本発明の微生物担持担体の作製方法において、疎水性担体が炭素繊維であることが好ましい。 Furthermore, in the method for producing a microorganism-supporting carrier of the present invention, the hydrophobic carrier is preferably a carbon fiber.
また、本発明の微生物担持担体の作製方法において、リグノセルロース系バイオマスは藁であることが好ましく、稲藁であることがさらに好ましい。 In the method for producing a microorganism-supporting carrier of the present invention, the lignocellulose-based biomass is preferably straw and more preferably rice straw.
次に、本発明のリグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成方法は、本発明の作製方法により得られた微生物担持担体を用いてリグノセルロース系バイオマスをメタン発酵処理するようにしている。 Next, in the method for producing methane gas from lignocellulosic biomass of the present invention, lignocellulosic biomass is subjected to methane fermentation using the microorganism-supported carrier obtained by the production method of the present invention.
また、本発明のメタンガス生成方法は、メタン発酵液に、酢酸資化性メタン菌が担持された疎水性担体とリグノセルロース系バイオマスとを投入してメタン発酵処理するようにしている。 In the methane gas production method of the present invention, a methane fermentation treatment is performed by introducing a hydrophobic carrier carrying acetic acid-assimilating methane bacteria and lignocellulosic biomass into a methane fermentation liquid.
ここで、本発明のメタンガス生成方法において、リグノセルロース系バイオマスは藁であることが好ましく、稲藁であることがさらに好ましい。 Here, in the method for producing methane gas of the present invention, the lignocellulosic biomass is preferably straw and more preferably rice straw.
本発明の微生物担持担体の作製方法によれば、リグノセルロース系バイオマスを直接メタン発酵に供しても、これを効率よく分解してメタンガスを生成させることができる微生物担持担体を作製することができる。したがって、リグノセルロース系バイオマスをメタン発酵に供する前段階でエネルギーを消費することなく、リグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成を効率よく行うことができる。しかも、本発明の微生物担持担体の作製方法によれば、担体に微生物を担持させる過程においてもリグノセルロース系バイオマスを分解しながらメタンガスを生成させることができるという利点がある。 According to the method for producing a microorganism-supporting carrier of the present invention, a microorganism-supporting carrier capable of efficiently decomposing the lignocellulosic biomass for methane fermentation and generating methane gas can be produced. Therefore, it is possible to efficiently produce methane gas from lignocellulosic biomass without consuming energy at the stage before subjecting the lignocellulosic biomass to methane fermentation. Moreover, according to the method for producing a microorganism-supporting carrier of the present invention, there is an advantage that methane gas can be generated while decomposing lignocellulosic biomass in the process of supporting microorganisms on the carrier.
また、本発明のメタンガス生成方法によれば、リグノセルロース系バイオマスを直接メタン発酵に供するようにしているので、リグノセルロース系バイオマスをメタン発酵に供する前段階でエネルギーを消費することなく、リグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成を効率よく行うことができる。 Further, according to the methane gas production method of the present invention, since lignocellulosic biomass is directly subjected to methane fermentation, lignocellulosic biomass is consumed without consuming energy in the previous stage of subjecting lignocellulosic biomass to methane fermentation. It is possible to efficiently generate methane gas from biomass.
さらに、本発明の微生物担持担体の作製方法及びメタンガス生成方法によれば、地球上に存在する主要なバイオマスであるリグノセルロース系バイオマスを原料としていることから、原料の入手を容易なものとして、メタンガス生成の簡便性をより高めることができる。また、わが国をはじめとして世界各国で毎年大量に発生してその処分が問題となっている稲藁等の藁をエネルギー源として有効利用することができる。 Furthermore, according to the method for producing a microorganism-supporting carrier and the method for producing methane gas of the present invention, since the lignocellulosic biomass, which is the main biomass existing on the earth, is used as a raw material, The convenience of generation can be further increased. It is also possible to effectively use rice straw and other straw that is generated in large quantities every year in Japan and other countries around the world and whose disposal is a problem as an energy source.
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<微生物担持担体の作製方法>
本発明のリグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成用の微生物担持担体の作製方法は、嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌を少なくとも含む微生物群集が添加された懸濁液に微生物を担持し得る担体を添加すると共に、懸濁液にリグノセルロース系バイオマスを添加して微生物群集によりリグノセルロース系バイオマスの分解反応を進行させる工程を含むようにしている。
<Method for producing microorganism-supporting carrier>
The method for producing a microorganism-supporting carrier for producing methane gas from lignocellulosic biomass according to the present invention comprises supporting a microorganism in a suspension to which a microorganism community including at least an anaerobic cellulose-degrading bacterium and an acetic acid-assimilating methane bacterium is added. In addition to adding the carrier to be obtained, the method includes a step of adding lignocellulosic biomass to the suspension and advancing the decomposition reaction of lignocellulosic biomass by microbial community.
本発明に使用される微生物群集は、嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌を少なくとも含めばよく、嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌のみからなる微生物群集を使用してもよいし、嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌とこれら以外の微生物を含む微生物群集を使用してもよい。例えば、人工的に培養された嫌気性セルロース分解菌と酢酸資化性メタン菌のみによって微生物群集を構成するようにしてもよいし、嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌の双方を含む汚泥や土壌を微生物群集として用いてもよいし、嫌気性セルロース分解菌を含む汚泥や土壌と酢酸資化性メタン菌を含む汚泥や土壌を混ぜて形成した微生物群集を用いるようにしてもよい。 The microbial community used in the present invention may include at least an anaerobic cellulose-degrading bacterium and an acetic acid-assimilating methane bacterium, or a microbial community consisting only of an anaerobic cellulose-degrading bacterium and an acetic acid-assimilating methane bacterium may be used. Alternatively, an anaerobic cellulose-degrading bacterium, an acetic acid-assimilating methane bacterium, and a microbial community including other microorganisms may be used. For example, the microbial community may be constituted only by artificially cultured anaerobic cellulose-degrading bacteria and acetic acid-assimilating methane bacteria, and includes both anaerobic cellulose-degrading bacteria and acetic acid-assimilating methane bacteria Sludge and soil may be used as a microbial community, or a microbial community formed by mixing sludge containing an anaerobic cellulose-degrading bacterium and soil and sludge or soil containing an acetic acid-assimilating methane bacterium may be used.
嫌気性セルロース分解菌としては、嫌気環境で進行するメタン発酵過程においてセルロース分解能を発揮する公知または新規の微生物を使用することができる。例えば、クロストリジウム(Clostridium)属の微生物を使用することができるが、これに限定されるものはない。 As the anaerobic cellulose-degrading bacterium, known or novel microorganisms that exhibit cellulose resolving power in a methane fermentation process that proceeds in an anaerobic environment can be used. For example, microorganisms belonging to the genus Clostridium can be used, but are not limited thereto.
嫌気性セルロース分解菌を担体に担持させることによって、微生物担持担体にセルロース分解能を付与することができる。 By supporting an anaerobic cellulose-degrading bacterium on a carrier, cellulose resolving power can be imparted to the microorganism-supporting carrier.
酢酸資化性メタン菌としては、嫌気環境で進行するメタン発酵過程において酢酸類からメタンガスを生成する能力を発揮する公知または新規の微生物を使用することができる。例えば、メタノサルシナ(Methanosarcina)属の微生物を使用することができ、Methanosarcina thermophilaを好適に使用することができるが、酢酸資化性メタン菌はこれに限定されるものではない。 As the acetic acid-assimilating methane bacterium, a known or novel microorganism that exhibits the ability to generate methane gas from acetic acid in a methane fermentation process that proceeds in an anaerobic environment can be used. For example, a microorganism belonging to the genus Methanosarcina can be used, and Methanosarcina thermophila can be preferably used, but the acetic acid-assimilating methane bacterium is not limited thereto.
酢酸資化性メタン菌を担体に担持させることによって、セルロースの分解産物である酢酸、プロピオン酸及び酪酸等の揮発性脂肪酸からメタンガスを生成させることができると共に、揮発性脂肪酸を消費させてその蓄積を防ぐことができる。さらに、セルロースの分解産物である揮発性脂肪酸が消費される結果として、セルロースから揮発性脂肪酸が生成される反応が進行し易くなる。したがって、セルロースの分解反応の進行を促進させることができる。 By supporting acetic acid-assimilating methane bacteria on a carrier, methane gas can be generated from volatile fatty acids such as acetic acid, propionic acid and butyric acid, which are degradation products of cellulose, and volatile fatty acids are consumed and accumulated. Can be prevented. Furthermore, as a result of the consumption of volatile fatty acids, which are degradation products of cellulose, the reaction of generating volatile fatty acids from cellulose is likely to proceed. Therefore, the progress of the decomposition reaction of cellulose can be promoted.
ここで、本発明に使用される微生物群集には、さらに水素資化性メタン菌及び糖分解菌の少なくともいずれかをさらに含むようにしてもよい。 Here, the microbial community used in the present invention may further include at least one of hydrogen-utilizing methane bacteria and saccharolytic bacteria.
水素資化性メタン菌としては、嫌気環境で進行するメタン発酵過程において水素及び二酸化炭素からメタンガスを生成する能力を発揮することのできる公知あるいは新規の微生物を使用することができる。例えば、メタノバクテリウム(Methanobacterium)属の微生物やメタノサーモバクター(Methanothermobacter)属の微生物を使用することができ、Methanobacterium formicicumやMethanothermobacter thermautotrophicusを好適に使用することができる。但し、水素資化性メタン菌はこれらに限定されるものではない。 As the hydrogen-utilizing methane bacterium, a known or novel microorganism capable of exhibiting the ability to generate methane gas from hydrogen and carbon dioxide in the methane fermentation process that proceeds in an anaerobic environment can be used. For example, microorganisms belonging to the genus Methanobacterium and microorganisms belonging to the genus Methanothermobacter can be used, and Methanobacterium formicicum and Methanothermobacter thermautotrophicus can be preferably used. However, the hydrogen-assimilating methane bacteria are not limited to these.
水素資化性メタン菌を担体に担持させることによって、セルロースの分解産物である水素及び二酸化炭素からメタンガスを生成させることができる。また、セルロースの分解産物である水素及び二酸化炭素が消費される結果として、セルロースから水素及び二酸化炭素が生成される反応が進行し易くなる。したがって、セルロースの分解反応の進行を促進させることができる。 By supporting the hydrogen-assimilating methane bacterium on a carrier, methane gas can be generated from hydrogen and carbon dioxide, which are decomposition products of cellulose. Further, as a result of consumption of hydrogen and carbon dioxide, which are decomposition products of cellulose, a reaction in which hydrogen and carbon dioxide are generated from cellulose easily proceeds. Therefore, the progress of the decomposition reaction of cellulose can be promoted.
糖分解菌としては、嫌気環境で進行するメタン発酵過程においてセルロース及びヘミセルロースの分解生成物である糖類、例えばグルコース等を分解する能力を発揮することのできる公知あるいは新規の微生物を使用することができる。例えば、グルコース分解菌であるアナエロバクルム(Anaerobaculum)属の微生物を使用することができる。但し、糖分解菌はこれに限定されるものではない。 As the saccharolytic bacteria, known or novel microorganisms capable of exhibiting the ability to degrade saccharides such as glucose and the like, which are degradation products of cellulose and hemicellulose, in the methane fermentation process proceeding in an anaerobic environment can be used. . For example, a microorganism belonging to the genus Anaerobaculum, which is a glucose-degrading bacterium, can be used. However, saccharolytic bacteria are not limited to this.
糖分解菌を担体に担持させることによって、セルロースの分解産物であるグルコース等の糖類が分解されて消費される結果として、セルロースから糖類が生成される反応が進行し易くなる。したがって、セルロースの分解反応の進行を促進させることができる。 By supporting a saccharide-decomposing bacterium on a carrier, a reaction in which a saccharide such as glucose, which is a decomposition product of cellulose, is decomposed and consumed, facilitates a reaction in which saccharide is generated from cellulose. Therefore, the progress of the decomposition reaction of cellulose can be promoted.
ここで、本発明に使用する微生物群集としては、メタン発酵汚泥が好適である。メタン発酵汚泥には、通常、嫌気性セルロース分解菌、酢酸資化性メタン菌、水素資化性メタン菌及び糖分解菌が含まれており、担体にこれらの微生物を担持させてリグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成を極めて効率よく実施することができる微生物担持担体の作製が可能となる。 Here, methane fermentation sludge is suitable as the microbial community used in the present invention. Methane fermentation sludge usually contains anaerobic cellulose-degrading bacteria, acetic acid-assimilating methane bacteria, hydrogen-assimilating methane bacteria, and saccharolytic bacteria, and these carriers are supported on lignocellulosic biomass. It is possible to produce a microorganism-supporting carrier that can carry out methane gas production from an extremely efficient manner.
また、微生物群集としてメタン発酵汚泥を用いた場合、担体に担持される細菌群集の多様化が起こることが確認されている。したがって、担体に担持される細菌群集の多様化がリグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成効率の向上に何らかの形で寄与していることも考えられる。 In addition, when methane fermentation sludge is used as the microbial community, it has been confirmed that the bacterial community carried on the carrier is diversified. Therefore, it is conceivable that diversification of the bacterial community supported on the carrier contributes in some way to the improvement of methane gas production efficiency from lignocellulosic biomass.
微生物群集が添加された懸濁液は、微生物群集を例えば水、好適には微生物の生育に好ましい無機塩類等を溶解した水に微生物群集を添加して調製される。また、微生物群集の添加量は、特に限定されるものではないが、懸濁液の流動性が十分に確保されながらも懸濁液中の微生物の存在量をできるだけ高めることのできる量とすることが好適である。例えば、微生物群集として、メタン発酵汚泥を用いる場合には、微生物群集:水=4:1(体積比)としたメタン発酵汚泥含有液とすることが好適であるが、この混合比に限定されるものではない。また、水を添加せずにメタン発酵汚泥そのものを懸濁液として用いるようにしてもよいし、メタン発酵汚泥に微生物の生育に好ましい無機塩類等を直接添加したものを懸濁液として用いるようにしてもよい。 The suspension to which the microbial community has been added is prepared by adding the microbial community to, for example, water in which the microbial community has been dissolved, preferably water in which inorganic salts that are preferable for the growth of microorganisms are dissolved. The amount of the microbial community added is not particularly limited, but should be an amount that can increase the amount of microorganisms in the suspension as much as possible while ensuring sufficient fluidity of the suspension. Is preferred. For example, when methane fermentation sludge is used as the microbial community, a methane fermentation sludge-containing liquid with a microbial community: water = 4: 1 (volume ratio) is preferable, but the mixture ratio is limited to this. It is not a thing. Further, the methane fermentation sludge itself may be used as a suspension without adding water, or the methane fermentation sludge directly added with inorganic salts or the like preferable for microbial growth may be used as a suspension. May be.
本発明に使用されるリグノセルロース系バイオマスは特に限定されるものではなく、針葉樹材、広葉樹材、非樹木系材及びその廃棄物等を使用することができる。具体的には、スギ、エゾマツ、カラマツ、クロマツ、トドマツ、ヒメコマツ、イチイ、ネズコ、ハリモミ、イラモミ、イヌマキ、モミ、サワラ、トガサワラ、アスナロ、ヒバ、ツガ、コメツガ、ヒノキ、イチイ、イヌガヤ、トウヒ、イエローシーダー(ベイヒバ)、ロウソンヒノキ(ベイヒ)、ダグラスファー(ベイマツ)、シトカスプルース(ベイトウヒ)、ラジアータマツ、イースタンスプルース、イースタンホワイトパイン、ウェスタンラーチ、ウェスタンファー、ウェスタンヘムロック及びタマラック等の針葉樹材、アスベン、アメリカンブラックチェリー、イエローポプラ、ウォールナット、カバザクラ、ケヤキ、シカモア、シルバーチェリー、タモ、チーク、チャイニーズエルム、チャイニーズメープル、ナラ、ハードメイプル、ヒッコリー、ピーカン、ホワイトアッシュ、ホワイトオーク、ホワイトバーチ、レッドオーク、アカシア及びユーカリ等の広葉樹材、稲、サトウキビ、麦、トウモロコシ、パイナップル、オイルパーム、ケナフ、綿、アルファルファ、チモシー、タケ、ササ、テンサイ等の非樹木系材料、及びこれらの廃棄物が挙げられる。この中でも特に、非樹木系材の廃棄物に該当し、世界各国で毎年大量に発生している稲、麦(大麦、小麦)、トウモロコシ等の藁を好適に使用でき、特にわが国で毎年大量に発生している稲藁を使用することがさらに好適である。 The lignocellulosic biomass used in the present invention is not particularly limited, and softwood materials, hardwood materials, non-tree materials, and wastes thereof can be used. Specifically, Japanese cedar, Scots pine, Japanese larch, Japanese black pine, Todomatsu, Japanese pine, Yew, Nezuko, Hari fir, Iramomi, Inu Maki, Fir, Sawara, Togasawara, Asunaro, Hiba, Tsuga, Kototsuga, Hinoki, Ichii, Inugaya, Spruce, Yellow Cedar (Beihiba), Lawson Hinoki (Beihi), Douglas Fir (Bay Pine), Sitka Spruce (Beisuhi), Radiata Pine, Eastern Spruce, Eastern White Pine, Western Larch, Western Fur, Western Hemlock and Tamarack, Asben, American black cherry, yellow poplar, walnut, cabbage cherry, zelkova, sycamore, silver cherry, tamo, teak, chinese elm, chinese maple, oak, hard maple Hickory, pecan, white ash, white oak, white birch, red oak, acacia and eucalyptus hardwood, rice, sugarcane, wheat, corn, pineapple, oil palm, kenaf, cotton, alfalfa, timothy, bamboo, sasa, sugar beet Non-tree materials such as these, and wastes thereof. Among them, rice, barley (barley, wheat), corn, etc., which correspond to non-wood waste, and are produced in large quantities every year in the world, can be used suitably. It is more preferable to use the generated rice straw.
本発明に使用される微生物を担持し得る疎水性担体は、微生物を担持することのできる三次元構造を有するもの、例えば、高い空隙率によって多大な表面積が確保されている担体を使用することができる。具体的には、例えば、空隙率が25%〜98%を使用すればよいが、空隙率が50%〜98%のものをより好適に使用でき、空隙率が98%のものをさらに好適に使用することができる。そして、疎水性を確保するための担体の素材としては、炭素製、ポリエチレン製、ポリプロピレン製のものを好適に使用することができ、特に炭素製のものを好適に使用することができる。炭素製の素材は、高い空隙率の確保が容易であり、例えば炭素繊維不織布は、高い空隙率(98%)を確保し易く、しかも安価に入手でき、好適である。 The hydrophobic carrier capable of supporting the microorganism used in the present invention has a three-dimensional structure capable of supporting the microorganism, for example, a carrier having a large surface area secured by a high porosity. it can. Specifically, for example, a porosity of 25% to 98% may be used, but a porosity of 50% to 98% can be used more preferably, and a porosity of 98% is more preferable. Can be used. And as a support | carrier raw material for ensuring hydrophobicity, the thing made from carbon, the product made from polyethylene, and a polypropylene can be used conveniently, The thing made from carbon can be used especially suitably. A carbon material is easy to secure a high porosity, and, for example, a carbon fiber nonwoven fabric is suitable because it can easily ensure a high porosity (98%) and can be obtained at low cost.
尚、微生物を担持し得る疎水性担体の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、シート状、球状、チューブ状等とすればよい。また、微生物を担持し得る疎水性担体は、その全体を上記素材で形成する必要はなく、例えば基材表面を上記素材で覆ったものを微生物を担持し得る疎水性担体として使用するようにしてもよい。 The shape of the hydrophobic carrier capable of supporting the microorganism is not particularly limited, and may be, for example, a sheet shape, a spherical shape, a tube shape, or the like. In addition, the hydrophobic carrier capable of supporting microorganisms does not need to be entirely formed of the above material, and for example, a substrate whose surface is covered with the above material is used as a hydrophobic carrier capable of supporting microorganisms. Also good.
微生物群集が添加された懸濁液に対するリグノセルロース系バイオマスの添加量は、懸濁液に含まれる微生物群集の量(微生物数)に応じて最適な量が変化するので、その値は一概には規定できないが、懸濁液中の微生物群集によるメタン発酵反応の進行速度が低下したり、停止したりすることのない有機物負荷となる量とすればよい。尚、リグノセルロース系バイオマスは、そのまま添加してもよいが、粉砕処理して懸濁液との接触面積を高めてから添加することで、セルロースの分解反応を促進させることができ、好適である。 The amount of lignocellulosic biomass added to the suspension to which the microbial community has been added varies optimally depending on the amount of microbial communities (number of microorganisms) contained in the suspension. Although it cannot be defined, the amount may be an amount that causes an organic load that does not decrease or stop the progress of the methane fermentation reaction by the microbial community in the suspension. The lignocellulosic biomass may be added as it is, but is preferably added after increasing the contact area with the suspension by pulverization to promote the decomposition reaction of cellulose. .
微生物群集が添加された懸濁液に対する微生物を担持し得る疎水性担体の添加量は、特に限定されるものではないが、微生物を担持し得る疎水性担体を懸濁液に添加し過ぎると、懸濁液の流動性が確保し難くなるので、懸濁液の流動性を確保し得る範囲で添加することが好適である。 The amount of the hydrophobic carrier that can support microorganisms to the suspension to which the microbial community has been added is not particularly limited, but if too much hydrophobic carrier that can support microorganisms is added to the suspension, Since it becomes difficult to ensure the fluidity of the suspension, it is preferable to add the suspension in a range that can ensure the fluidity of the suspension.
微生物群集が添加された懸濁液にリグノセルロース系バイオマスを添加することにより、懸濁液中の微生物群集によるリグノセルロース系バイオマスの分解反応が進行する。この分解反応が進行する中で、微生物を担持し得る疎水性担体に、嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌、さらには水素資化性メタン菌及び糖分解菌の少なくともいずれかが徐々に担持され、特に酢酸資化性メタン菌が優占的に担持される。また、微生物群集としてメタン発酵汚泥を用いた場合には、担体上に多様な細菌群集が担持される。また、この過程でリグノセルロース系バイオマスを分解しながらメタンガスを生成させることができる。尚、リグノセルロース系バイオマスの分解反応を進行させるために、懸濁液は嫌気状態に維持しておく。また、反応進行中は懸濁液を攪拌することが好ましい。 By adding lignocellulosic biomass to the suspension to which the microbial community has been added, the decomposition reaction of lignocellulosic biomass by the microbial community in the suspension proceeds. As the decomposition reaction proceeds, an anaerobic cellulose-degrading bacterium and an acetic acid-assimilating methane bacterium, and further a hydrogen-assimilating methane bacterium and a saccharifying bacterium are gradually added to the hydrophobic carrier capable of supporting the microorganism. In particular, acetic acid-assimilating methane bacteria are preferentially supported. In addition, when methane fermentation sludge is used as the microbial community, various bacterial communities are supported on the carrier. In this process, methane gas can be generated while lignocellulosic biomass is decomposed. In addition, in order to advance the decomposition reaction of lignocellulosic biomass, the suspension is kept in an anaerobic state. Further, it is preferable to stir the suspension during the progress of the reaction.
ここで、微生物群集が添加された懸濁液と微生物を担持し得る疎水性担体との接触時間は、懸濁液中の微生物群集の量(微生物数)やリグノセルロース系バイオマスの添加量(有機物負荷量)に応じて最適な時間が変化することから、一概には規定できないが、基質であるリグノセルロース系バイオマスの全量がメタンに変換されたと仮定した場合のガス発生量の70%以上のガス発生が達成されるに至るまでの時間、具体的には、負荷したCOD(mg換算)を0.35倍することで算出されるガス発生量(mL)の70%以上のガス発生が達成されるに至るまでの時間、つまり、少なくとも負荷したCOD(mg換算)の0.245倍のガス発生量(mL)が達成されるに至るまでの時間とすることが好適である。 Here, the contact time between the suspension to which the microbial community is added and the hydrophobic carrier capable of supporting the microorganism is determined based on the amount of the microbial community in the suspension (number of microorganisms) and the added amount of lignocellulosic biomass (organic matter). Since the optimal time varies depending on the amount of load), it cannot be specified unconditionally. However, it is assumed that the total amount of lignocellulosic biomass as a substrate is converted to methane. The time until the generation is achieved, specifically, 70% or more of the gas generation amount (mL) calculated by multiplying the COD (mg conversion) applied by 0.35 times is achieved. It is preferable to set the time until the gas generation amount (mL) at least 0.245 times the COD (mg conversion) is achieved.
本願発明者等の実験によると、メタン発酵汚泥200gを添加した懸濁液250mLについて、水理学的滞留時間を15日とし、有機物負荷量を620mgCOD/L/日とした場合、6日間でミリグラム換算のCODの0.35倍のガス発生量(mL)の70%以上のガス発生が達成されることが確認されている。 According to the experiments by the inventors of the present application, for 250 mL of suspension added with 200 g of methane fermentation sludge, when the hydraulic residence time is 15 days and the organic load is 620 mg COD / L / day, the conversion is milligrams in 6 days. It has been confirmed that 70% or more of gas generation amount (mL) 0.35 times the COD of COD is achieved.
ここで、懸濁液の有機物負荷量は、常時一定としてもよいが、時間が経過するにつれて、微生物を担持し得る疎水性担体に所望の微生物が徐々に担持されて、メタン発酵処理能が少しづつ向上するので、有機物負荷量は少しづつ上昇させてもよい。この場合、微生物群集が添加された懸濁液と微生物を担持し得る疎水性担体との接触時間を短縮することができる。 Here, the organic load amount of the suspension may be always constant, but as time passes, the desired microorganisms are gradually supported on the hydrophobic carrier capable of supporting the microorganisms, and the methane fermentation treatment capacity is slightly reduced. Since it improves step by step, the organic load may be increased little by little. In this case, the contact time between the suspension to which the microbial community is added and the hydrophobic carrier capable of supporting the microorganism can be shortened.
<メタンガスの生成方法>
本発明の作製方法により得られた微生物担持担体を用いてリグノセルロース系バイオマスをメタン発酵処理することで、リグノセルロース系バイオマスからメタンガスを効率よく生成することができる。
<Methane gas production method>
By subjecting lignocellulosic biomass to methane fermentation using the microorganism-supported carrier obtained by the production method of the present invention, methane gas can be efficiently generated from lignocellulosic biomass.
リグノセルロース系バイオマスは、直接メタン発酵に供すると、メタン発酵液に揮発性脂肪酸が蓄積してメタン発酵の進行が遅くなったり、停止したりし易い。このことが、リグノセルロース系バイオマスからメタンガスを効率よく生成することのできない要因となっていた。本発明の作製方法により得られる微生物担持担体には、揮発性脂肪酸を消費してメタンガスを生成する酢酸資化性メタン菌が優占的に担持されている。したがって、揮発性脂肪酸を消費してメタン発酵液に揮発性脂肪酸が蓄積するのを防ぎながら、メタンガスを生成することができる。しかも、セルロースの分解産物である揮発性脂肪酸が消費される結果として、セルロースから揮発性脂肪酸が生成される反応が進行し易くなる。したがって、セルロースの分解反応の進行を促進させることができる。 When lignocellulosic biomass is directly subjected to methane fermentation, volatile fatty acids accumulate in the methane fermentation liquid and the progress of methane fermentation is likely to be slowed or stopped. This has been a factor that makes it impossible to efficiently generate methane gas from lignocellulosic biomass. The microorganism-supporting carrier obtained by the production method of the present invention preferentially supports acetic acid-assimilating methane bacteria that consume volatile fatty acids and generate methane gas. Therefore, methane gas can be generated while volatile fatty acids are consumed and volatile fatty acids are prevented from accumulating in the methane fermentation liquid. Moreover, as a result of the consumption of volatile fatty acids, which are the decomposition products of cellulose, the reaction of generating volatile fatty acids from cellulose easily proceeds. Therefore, the progress of the decomposition reaction of cellulose can be promoted.
また、微生物担持担体に水素資化性メタン菌が担持されている場合には、セルロースの分解産物である水素及び二酸化炭素からメタンガスを生成させることができる。また、セルロースの分解産物である水素及び二酸化炭素が消費される結果として、セルロースから水素及び二酸化炭素が生成される反応を進行させ易くなる。したがって、セルロースの分解反応の進行を促進させることができる。 In addition, when hydrogen-assimilating methane bacteria are supported on the microorganism-supporting carrier, methane gas can be generated from hydrogen and carbon dioxide, which are degradation products of cellulose. Further, as a result of the consumption of hydrogen and carbon dioxide, which are degradation products of cellulose, it becomes easier to proceed the reaction in which hydrogen and carbon dioxide are produced from cellulose. Therefore, the progress of the decomposition reaction of cellulose can be promoted.
さらに、微生物担持担体に糖分解菌を担体に担持させることによって、セルロースの分解産物であるグルコース等の糖類が分解されて消費される結果として、セルロースから糖類が生成される反応を進行させ易くなる。したがって、セルロースの分解反応の進行を促進させることができる。 Furthermore, by supporting the saccharide-decomposing bacteria on the microorganism-supporting carrier, it is easy to promote the reaction in which saccharides are produced from cellulose as a result of degradation and consumption of saccharides such as glucose, which are degradation products of cellulose. . Therefore, the progress of the decomposition reaction of cellulose can be promoted.
また、微生物群集としてメタン発酵汚泥を用いて作製した微生物担持担体には、嫌気性セルロース分解菌、酢酸資化性メタン菌、水素資化性メタン菌及び糖分解菌が担持されていることから、リグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成を極めて効率よく実施することができる。しかも、この場合には、微生物担持担体に多様な細菌群集が担持される。この多様な細菌群集がリグノセルロース系バイオマスからのメタンガス生成効率の向上に何らかの形で寄与していることも考えられる。 In addition, since the microorganism-supported carrier prepared using methane fermentation sludge as a microbial community carries anaerobic cellulose-degrading bacteria, acetic acid-assimilating methane bacteria, hydrogen-assimilating methane bacteria, and saccharolytic bacteria, Methane gas production from lignocellulosic biomass can be carried out very efficiently. Moreover, in this case, various bacterial communities are supported on the microorganism-supporting carrier. It is considered that this diverse bacterial community contributes in some way to the improvement of methane gas production efficiency from lignocellulosic biomass.
尚、本発明の作製方法により得られた微生物担持担体は、水、好適には微生物の生育に好ましい無機塩類等を溶解した水に添加してメタン発酵を行うようにしてもよいし、既存のメタン発酵槽のメタン発酵液に添加してメタン発酵を行うようにしてもよい。また、本発明の微生物担持担体の作製方法とメタンガス生成方法を連続して行うようにしてもよい。即ち、本発明の作製方法により得られた微生物担持担体を微生物群集が添加された懸濁液に接触(浸漬)させたまま、リグノセルロース系バイオマスを添加してメタン発酵を進行させるようにしてもよい。 The microorganism-supported carrier obtained by the production method of the present invention may be added to water, preferably water in which inorganic salts and the like that are preferable for the growth of microorganisms are dissolved, and methane fermentation may be performed. You may make it add to the methane fermentation liquid of a methane fermenter and perform methane fermentation. Moreover, you may make it perform the preparation method of the microorganisms support | carrier of this invention, and the methane gas production | generation method continuously. That is, lignocellulosic biomass is added to advance methane fermentation while the microorganism-supported carrier obtained by the production method of the present invention is in contact (immersed) with the suspension to which the microorganism community is added. Good.
リグノセルロース系バイオマスは、上記と同様のものを用いることができる。本願発明者等の実験によれば、リグノセルロース系バイオマスとして、乾燥重量でセルロースを32〜37%、ヘミセルロースを29〜37%及びリグニンを5〜15%含む稲藁を直接メタン発酵に供しても、メタンガスを効率よく生成できた。したがって、リグノセルロース系バイオマス全般について、本発明を適用できるものと考えられるが、この組成と類似あるいは同様の組成を有する藁等のリグノセルロース系バイオマスを特に好適に使用できる。また、メタン発酵液との接触面積を増大させてセルロース分解反応を促進させる上で、粉砕処理することが好適であるが、粉砕処理することなく、未処理のままメタン発酵に供してもよい。 The lignocellulosic biomass can be the same as described above. According to experiments by the inventors of the present application, as lignocellulosic biomass, rice straw containing 32 to 37% cellulose, 29 to 37% hemicellulose and 5 to 15% lignin by dry weight can be directly subjected to methane fermentation. Methane gas was generated efficiently. Therefore, although it is considered that the present invention can be applied to lignocellulosic biomass in general, lignocellulosic biomass such as straw having a composition similar to or similar to this composition can be particularly preferably used. In order to promote the cellulose decomposition reaction by increasing the contact area with the methane fermentation liquor, pulverization is preferable, but the methane fermentation may be performed untreated without pulverization.
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、少なくとも嫌気性セルロース分解菌及び酢酸資化性メタン菌が担持された疎水性担体を用いてリグノセルロース系バイオマスをメタン発酵処理するようにしていたが、酢酸資化性メタン菌のみが担持された疎水性担体をメタン発酵液に投入すると共に、メタン発酵液にリグノセルロース系バイオマスを投入してメタン発酵処理するようにしてもよい。メタン発酵液には、嫌気性セルロース分解菌が含まれているので、酢酸資化性メタン菌が担持された疎水性担体をメタン発酵液に投入することで、リグノセルロース系バイオマスを分解しながらも、揮発性脂肪酸の蓄積を抑えて、効率よくメタンガス生成を行うことができる。しかも、メタン発酵処理を行う中で、担体にはメタン発酵液中の嫌気性セルロース分解菌が付着し、さらには、担体に担持される細菌群集の多様化が起こることから、これらの効果によっても、メタンガス生成を効率よく行うことができるようになる。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, lignocellulosic biomass is treated with methane fermentation using a hydrophobic carrier on which at least anaerobic cellulose-degrading bacteria and acetic acid-assimilating methane bacteria are supported. A hydrophobic carrier carrying only methane bacteria may be introduced into the methane fermentation solution, and lignocellulosic biomass may be introduced into the methane fermentation solution for methane fermentation treatment. Since the methane fermentation broth contains anaerobic cellulose-degrading bacteria, by introducing a hydrophobic carrier carrying acetic acid-assimilating methane bacteria into the methane fermentation liquid, while decomposing lignocellulosic biomass, It is possible to efficiently generate methane gas while suppressing the accumulation of volatile fatty acids. Moreover, during the methane fermentation treatment, the anaerobic cellulose-degrading bacteria in the methane fermentation solution adhere to the carrier, and further, the bacterial community carried on the carrier is diversified. The methane gas can be generated efficiently.
尚、酢酸資化性メタン菌のみが担持された疎水性担体は、例えば、酢酸資化性メタン菌あるいは酢酸資化性メタン菌を含む微生物群集が添加された懸濁液に酢酸資化性メタン菌のメタン生成源となる物質である揮発性脂肪酸を添加し、上記と同様の微生物を担持し得る疎水性担体を懸濁液に浸漬することで作製することができる。懸濁液と疎水性担体の接触時間については、上記と同様の方法で決定することができる。また、リグノセルロース系バイオマスについても、上記と同様のものを用いることができる。 In addition, the hydrophobic carrier on which only acetic acid-assimilating methane bacteria are supported is, for example, acetic acid-assimilating methane in a suspension to which acetic acid-assimilating methane bacteria or a microbial community containing acetic acid-assimilating methane bacteria is added. It can be produced by adding a volatile fatty acid which is a substance that becomes a methane production source of the fungus, and immersing a hydrophobic carrier capable of supporting the same microorganism as described above in a suspension. The contact time between the suspension and the hydrophobic carrier can be determined by the same method as described above. Moreover, the same thing as the above can be used also about lignocellulosic biomass.
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
<実施例1>
リアクター内に稲藁基質とメタン発酵液と炭素繊維不織布を収容し、稲藁からのメタンガス生成について検証した。
<Example 1>
In the reactor, rice straw substrate, methane fermentation broth and carbon fiber nonwoven fabric were housed, and the production of methane gas from rice straw was verified.
<比較例1>
リアクター内に炭素繊維不織布を収容しなかった以外は、実施例1と同様の条件として、稲藁からのメタンガス生成について検証した。
<Comparative Example 1>
Except that no carbon fiber nonwoven fabric was housed in the reactor, methane gas production from rice straw was verified under the same conditions as in Example 1.
<実験方法>
実施例1及び比較例1は、以下に具体的に説明する方法で実施した。
<Experiment method>
Example 1 and Comparative Example 1 were carried out by the methods specifically described below.
(1)稲藁基質の調製
日本の農場より入手した稲藁を2mm未満に細断した。この稲藁を以下のように配合して稲藁基質を調製した。尚、酵母エキスは和光純薬工業株式会社製のものを使用し、DSMZミディアム131微量元素溶液(以下、微量元素溶液と呼ぶ)及びDSMZミディアム141ビタミン溶液(以下、ビタミン溶液と呼ぶ)はDSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and Zellkulturen)製のものを使用した。
[稲藁基質の組成(水1L中の組成)]
稲藁 :10g/L
KH2PO4 :0.8g/L
K2HPO4 :1.6g/L
NH4Cl :1g/L
NaHCO3 :2g/L
MgCl2・6H2O: 0.1g/L
CaCl2・2H2O: 0.2g/L
NaCl: 0.8g/L
酵母エキス: 1g/L
微量元素溶液: 10mL/L
ビタミン溶液: 10mL/L
(1) Preparation of rice straw substrate Rice straw obtained from a Japanese farm was shredded to less than 2 mm. A rice straw substrate was prepared by blending this rice straw as follows. The yeast extract manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. is used, and DSMZ Medium 131 trace element solution (hereinafter referred to as trace element solution) and DSMZ Medium 141 vitamin solution (hereinafter referred to as vitamin solution) are DSMZ ( Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and Zellkulturen) was used.
[Composition of rice straw substrate (composition in 1 liter of water)]
Inaba: 10 g / L
KH 2 PO 4 : 0.8 g / L
K 2 HPO 4 : 1.6 g / L
NH 4 Cl: 1 g / L
NaHCO 3 : 2 g / L
MgCl 2 · 6H 2 O: 0.1 g / L
CaCl 2 · 2H 2 O: 0.2 g / L
NaCl: 0.8 g / L
Yeast extract: 1 g / L
Trace element solution: 10 mL / L
Vitamin solution: 10mL / L
稲藁基質のCODcr(重クロム酸塩を用いた場合の化学的酸素要求量)はおよそ11870mgCODcr/Lであった。 The rice straw substrate CODcr (chemical oxygen demand with dichromate) was approximately 11870 mg CODcr / L.
(2)リアクターの構成
デュラン社製の250mL容ガラス瓶をリアクターとして用いた。このガラス瓶を6本用意し、そのうちの3本を実施例1の実験に使用し、残りの3本を比較例1の実験に使用した。これらのガラス瓶に、生ゴミからの安定したガス生成が行われていた好熱性嫌気性消化槽(メタン発酵槽)内から採取した汚泥をそれぞれ等量ずつ(200g)入れ、さらに稲藁基質をそれぞれ50mL添加した。
(2) Configuration of reactor A 250 mL glass bottle manufactured by Duran was used as the reactor. Six glass bottles were prepared, three of which were used in the experiment of Example 1 and the remaining three were used in the experiment of Comparative Example 1. In each of these glass bottles, an equal amount (200 g) of each sludge collected from the thermophilic anaerobic digester (methane fermentation tank) where stable gas generation from raw garbage was performed, and each rice bran substrate was added. 50 mL was added.
実施例1の実験に使用した3本のガラス瓶には、さらに2枚の炭素繊維不織布(タイプ:ピッチ、空隙率:約98%、径:30.0mm、高さ:70.0mm、厚さ:2.4mm、以下、CFTと呼ぶ。)を入れた。 In the three glass bottles used in the experiment of Example 1, two more carbon fiber nonwoven fabrics (type: pitch, porosity: about 98%, diameter: 30.0 mm, height: 70.0 mm, thickness: 2.4 mm, hereinafter referred to as CFT).
また、各ガラス瓶には、リアクターを攪拌しながら運転するための攪拌子を収容した。 Each glass bottle contained a stirrer for operating the reactor while stirring.
各ガラス瓶は収容物を全て入れた後、窒素ガス置換してからシリコーンゴム栓で密封し、ガラス瓶内の嫌気環境を確保した。 Each glass bottle was filled with all the contents and then replaced with nitrogen gas and sealed with a silicone rubber stopper to ensure an anaerobic environment in the glass bottle.
(3)リアクターの運転条件
リアクターは、セミバッチモードで運転した。具体的には、実験開始から15日目までは、3日に1回、シリンジを用いてガラス瓶内の内容物を50mL抜き取り、50mLの稲藁基質を新たに添加した。実験開始16日目から実験開始45日目までは、この操作を2日に1回行った。この運転条件により、実験期間中のOLR(有機物負荷量、図1中の◆)及びHRT(水理学的滞留時間、図1中の■)は図1に示す通りとなった。
(3) Reactor operating conditions The reactor was operated in semi-batch mode. Specifically, from the start of the experiment to the 15th day, 50 mL of the contents in the glass bottle were extracted once every 3 days using a syringe, and 50 mL of rice straw substrate was newly added. This operation was performed once every two days from the 16th day to the 45th day. Under these operating conditions, the OLR (organic load, ♦ in FIG. 1) and HRT (hydraulic residence time, ♦ in FIG. 1) during the experiment were as shown in FIG.
また、上記操作を行う際に、0.5NのNaOH水溶液を適宜添加して、ガラス瓶内の内容物のpHを7.5付近に維持した。実験期間中は、リアクターを55℃に維持した。また、実験期間中は、ガラス瓶内の内容物を電磁攪拌機により攪拌し続けた。 Moreover, when performing the said operation, 0.5N NaOH aqueous solution was added suitably and the pH of the content in a glass bottle was maintained at 7.5 vicinity. The reactor was maintained at 55 ° C. during the experimental period. During the experiment period, the contents in the glass bottle were continuously stirred with an electromagnetic stirrer.
(4)化学成分分析
バイオガス生成量は、水上置換法により測定した。また、バイオガスの組成分析は、ガスクロマトグラフィー(Agilent製、装置名6890N)により行った。
(4) Chemical component analysis The amount of biogas produced was measured by the water displacement method. Biogas composition analysis was performed by gas chromatography (Agilent, apparatus name: 6890N).
また、シリンジにより抜き取られたガラス瓶内の内容物について、低級脂肪酸濃度及びグルコース濃度を分析した。揮発性脂肪酸濃度分析は、液体クロマトグラフィー(GLサイエンス製、装置名GL-7400)により行った。グルコース濃度分析は、アンスロン法により分光光度計を用いて行った。 Moreover, the lower fatty acid concentration and glucose concentration were analyzed about the contents in the glass bottle extracted with the syringe. The volatile fatty acid concentration analysis was performed by liquid chromatography (manufactured by GL Sciences, apparatus name: GL-7400). The glucose concentration analysis was performed using a spectrophotometer by the anthrone method.
さらに、実験終了後(45日目)のガラス瓶内の内容物について、COD(化学的酸素要求量)とSS(浮遊固形分量)の分析を行った。COD分析は、JIS K 0120−20(HACH製、装置名DR800)により行った。SS分析は、JIS K 0102−14.1(ヤマト製、装置名DN63)により行った。 Further, COD (chemical oxygen demand) and SS (floating solid content) were analyzed for the contents in the glass bottle after the end of the experiment (day 45). The COD analysis was performed according to JIS K 0120-20 (HACH, device name: DR800). The SS analysis was performed according to JIS K0102-14.1 (manufactured by Yamato, device name DN63).
(5)生物学的分析
実験終了後(45日目)、各ガラス瓶内から内容物を採取し、生物学的分析に供した。また、CFTをリン酸緩衝生理食塩水に浸漬して振とう処理し、CFT付着物をリン酸緩衝生理食塩水に移行させて生物学的分析に供した。これらの試料に含まれる微生物群の16S rRNA遺伝子のコピー数の量をリアルタイムPCRを用いて定量分析した。具体的には、採取した試料を遠心分離処理して微生物群を沈降させ、トリス−EDTA緩衝液 (pH8.0、100mM トリスHCl、40mM EDTA)に懸濁した。DNAはドデシル硫酸ナトリウム及びフェノール−クロロホルム−イソアミルアルコール溶液(25:24:1 v/v)の存在下、微生物群から繰り返しビーズ衝突させて抽出し、次いで、抽出DNAをQIAamp DNAミクロキット(キアゲン社製)で精製した。これを、TaqMan リアルタイムPCTに供して微生物群の16S rRNA遺伝子のコピー数を定量分析した。プライマー/プローブセットは以下の通りとした。尚、このプライマー/プローブセットは、以下の論文に記載されているものである(Takai, K., K. Horikoshi (2000). "Rapid detection and quatification of members of archaeal community by quantitative PCR using fluorogenic probes." Appl. Environ. Microbiol. 66(11): 5066-5072.、Sawayama, S., Tsukahara K, Yagishita T (2006). "Phylogenetic description of immobilized methanogenic community using real-time PCR in a fixed-bed anaerobic digester." Bioresour. Technol. 97(1): 69-76.)。
・原核生物用プライマー/プローブセット:
Uni340F/Uni806R/Uni516F
・メタン菌用プライマー/プローブセットセット:
S-P-MArch-0348-S-a-17/S-D-Arch-0786-A-a-20/S-P-MArch-0515-S-a-25
(5) Biological analysis After the end of the experiment (day 45), the contents were collected from each glass bottle and subjected to biological analysis. In addition, CFT was immersed in phosphate buffered saline and shaken, and the CFT deposit was transferred to phosphate buffered saline for biological analysis. The amount of 16S rRNA gene copy number of the microorganism group contained in these samples was quantitatively analyzed using real-time PCR. Specifically, the collected sample was centrifuged to settle the microorganism group, and suspended in Tris-EDTA buffer (pH 8.0, 100 mM Tris HCl, 40 mM EDTA). DNA was extracted by repeated bead collisions from the microorganism group in the presence of sodium dodecyl sulfate and a phenol-chloroform-isoamyl alcohol solution (25: 24: 1 v / v), and then the extracted DNA was extracted from the QIAamp DNA micro kit (Qiagen). Purified). This was subjected to TaqMan real-time PCT to quantitatively analyze the copy number of 16S rRNA gene of the microorganism group. The primer / probe set was as follows. This primer / probe set is described in the following paper (Takai, K., K. Horikoshi (2000). "Rapid detection and quatification of members of archaeal community by quantitative PCR using fluorogenic probes. "Appl. Environ. Microbiol. 66 (11): 5066-5072., Sawayama, S., Tsukahara K, Yagishita T (2006)." Phylogenetic description of immobilized methanogenic community using real-time PCR in a fixed-bed anaerobic digester . "Bioresour. Technol. 97 (1): 69-76.).
Prokaryotic primer / probe set:
Uni340F / Uni806R / Uni516F
・ Primer / probe set for methane bacteria:
SP-MArch-0348-Sa-17 / SD-Arch-0786-Aa-20 / SP-MArch-0515-Sa-25
また、末端断片長多型解析(T−RFLP)により、全菌のうち古細菌を除く細菌の群集構造と、全菌のうち細菌を除く古細菌の群集構造とを解析した。具体的には、細菌のフォーワードプライマーとして5’末端で6-FAMでラベルされたBa27fを用い、リバースプライマーとしてBa907rを用い、古細菌のフォーワードプライマーとしてAr109fを用い、リバースプライマーとして5’末端で6-FAMでラベルされたAr912rtを用いて、50μLの反応混合物中でPCRを行い、PCR単位複製配列物を得た。PCR単位複製配列物はWizard SV Gel and PCR Clean-Up System (プロメガ社製)で精製した後、細菌の制限酵素としてMspI(New England BioLabs社製)を用い、古細菌の制限酵素としてTaqI(New England BioLabs社製)を用いて消化した。この精製消化物を内部サイズ標準としてDNAサイズ標準GeneScan-500 ROX Size Standard (Applied Biosystems社製)を用いた。3130xl Genetic Analyzer(Applied Biosystems社製)により、末端断片長多型解析を実行した。尚2%未満の成分については、データから取り除いた。 Further, by analyzing the terminal fragment length polymorphism (T-RFLP), the community structure of bacteria excluding archaea out of all bacteria and the community structure of archaea excluding bacteria among all bacteria were analyzed. Specifically, Ba27f labeled with 6-FAM at the 5 'end is used as a bacterial forward primer, Ba907r is used as a reverse primer, Ar109f is used as an archaeal forward primer, and a 5' end is used as a reverse primer. PCR was performed in a 50 μL reaction mixture using Ar912rt labeled with 6-FAM in to obtain a PCR amplicon. The PCR amplicon was purified by Wizard SV Gel and PCR Clean-Up System (Promega), MspI (New England BioLabs) was used as a bacterial restriction enzyme, and TaqI (New England BioLabs) was used as an archaeal restriction enzyme. England BioLabs). A DNA size standard GeneScan-500 ROX Size Standard (Applied Biosystems) was used with the purified digest as an internal size standard. Terminal fragment length polymorphism analysis was performed using 3130xl Genetic Analyzer (Applied Biosystems). Ingredients below 2% were removed from the data.
さらに、クローン解析を行った。具体的には、T−RFLPと同様の条件でPCRを行い、PCR産物を精製してpGEM−T Easy ベクター(プロメガ社製)にライゲートさせた。プラスミドはEscherichia coli JM109細胞に組み込み、そのクローンをランダムに選択して、BigDye Terminator cycle sequencing chemistryを用いたABI 3130xl sequencer(アプライドバイオシステムズ)によりシーケンシングを行った。 In addition, clonal analysis was performed. Specifically, PCR was performed under the same conditions as for T-RFLP, and the PCR product was purified and ligated into a pGEM-T Easy vector (Promega). The plasmid was incorporated into Escherichia coli JM109 cells, and clones were randomly selected and sequenced by ABI 3130xl sequencer (Applied Biosystems) using BigDye Terminator cycle sequencing chemistry.
<実験結果>
(1)ガス成分分析結果
ガス生成速度の経時変化に関し、実施例1と比較例1の結果を図2に示す。実験開始(0日)〜15日目までは、実施例1の方がガス生成速度が若干速かったものの、顕著な差は見られなかった。しかし、HRTを10日として負荷を上昇させた16日目以降ではガス生成速度に顕著な差が見られた。即ち、比較例1では、ガス生成速度が徐々に低下し、最終日(45日目)には73mL/L/日まで低下したにも関わらず、実施例1では、最終日までガス生成速度が徐々に増加し続け、終には257mL/L/日まで上昇した。
<Experimental result>
(1) Gas component analysis results FIG. 2 shows the results of Example 1 and Comparative Example 1 with respect to the change over time in the gas generation rate. From the start of the experiment (day 0) to the 15th day, the gas generation rate in Example 1 was slightly faster, but no significant difference was observed. However, after the 16th day when the load was increased by setting the HRT to 10 days, a significant difference was observed in the gas generation rate. That is, in Comparative Example 1, although the gas generation rate gradually decreased and decreased to 73 mL / L / day on the final day (45th day), in Example 1, the gas generation rate was increased to the final day. It gradually increased and finally increased to 257 mL / L / day.
さらに、最終日(45日目)のガス中のメタン濃度を測定したところ、比較例1では、メタン濃度(体積)が56±1%だったのに対し、実施例1ではメタン濃度(体積)が72±2%であり、実施例1の方が圧倒的にメタン濃度が高いことが明らかとなった。 Furthermore, when the methane concentration in the gas on the last day (the 45th day) was measured, in Comparative Example 1, the methane concentration (volume) was 56 ± 1%, whereas in Example 1, the methane concentration (volume). Was 72 ± 2%, and it was revealed that Example 1 has an overwhelmingly higher methane concentration.
以上の結果から、メタン発酵液を収容したリアクターにCFTを投入することで、稲藁からのガス生成速度を向上させる効果と、より高負荷(少なくともHRT10日)での運転を可能にする効果と、ガス中のメタン濃度を向上させる効果(メタン生成量を向上させる効果)を奏することが明らかとなった。
From the above results, by introducing CFT into the reactor containing the methane fermentation broth, the effect of improving the gas production rate from rice straw and the effect of enabling operation at a higher load (at
(2)揮発性脂肪酸濃度分析結果
揮発性脂肪酸(酢酸、プロピオン酸、酪酸)濃度の経時変化に関し、実施例1と比較例1の結果を図3に示す。実施例1では、全期間において揮発性脂肪酸が殆ど検出されなかった。これに対し、比較例1では、揮発性脂肪酸が全期間において検出され、特に実験期間の後半に向かうに伴い、その濃度が上昇する傾向が見られた。また、比較例1において蓄積している揮発性脂肪酸の大部分は酢酸であることが確認された。
(2) Results of volatile fatty acid concentration analysis The results of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. 3 with respect to changes in the volatile fatty acid (acetic acid, propionic acid, butyric acid) concentration over time. In Example 1, almost no volatile fatty acid was detected over the entire period. On the other hand, in Comparative Example 1, volatile fatty acids were detected during the entire period, and in particular, there was a tendency for the concentration to increase as the experiment progressed to the second half. In addition, it was confirmed that most of the volatile fatty acid accumulated in Comparative Example 1 was acetic acid.
以上の結果から、メタン発酵液を収容したリアクターにCFTを投入することで、揮発性脂肪酸がリアクター内の内容物であるメタン発酵液中に蓄積するのを防ぐ効果を得られることが明らかとなった。 From the above results, it is clear that by introducing CFT into the reactor containing the methane fermentation broth, it is possible to obtain the effect of preventing the accumulation of volatile fatty acids in the methane fermentation broth that is the contents in the reactor. It was.
また、上記のガス成分分析結果を加味すると、比較例1では、揮発性脂肪酸の蓄積によってセルロースの分解が阻害され、その結果としてガス生成速度が非常に低くなったのに対し、実施例1では揮発性脂肪酸の蓄積が殆ど無いためセルロースの分解が阻害されることなくむしろ促進され、その結果としてガス生成速度が向上したものと考えられた。 In addition, taking the above gas component analysis results into consideration, in Comparative Example 1, the decomposition of cellulose was inhibited by the accumulation of volatile fatty acids, and as a result, the gas generation rate became very low. Since there was almost no accumulation of volatile fatty acids, the decomposition of cellulose was rather accelerated without being inhibited, and as a result, the gas generation rate was considered to be improved.
(3)COD分析及びSS分析結果
COD除去効率及びSS除去効率に関し、実施例1と比較例1の結果をそれぞれ図4及び図5に示す。図4及び図5から明らかなように、実施例1の方が圧倒的にCOD除去効率及びSS除去効率が優れていた。
(3) COD Analysis and SS Analysis Results Regarding the COD removal efficiency and SS removal efficiency, the results of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. As apparent from FIGS. 4 and 5, Example 1 was overwhelmingly superior in COD removal efficiency and SS removal efficiency.
以上の結果から、メタン発酵液を収容したリアクターにCFTを投入することで、COD除去効率及びSS除去効率を向上させる効果、つまり、稲藁分解効率を向上させる効果を奏することが明らかとなった。 From the above results, it became clear that by introducing CFT into the reactor containing the methane fermentation broth, the effect of improving the COD removal efficiency and the SS removal efficiency, that is, the effect of improving the rice straw decomposition efficiency was achieved. .
(4)グルコース濃度分析結果
グルコース濃度に関し、実施例1と比較例1の結果を図6に示す。実験期間中において、グルコース濃度に殆ど差は見られなかった。
(4) Glucose concentration analysis results FIG. 6 shows the results of Example 1 and Comparative Example 1 regarding the glucose concentration. There was little difference in glucose concentration during the experiment.
しかしながら、上記の通り、メタン発酵液を収容したリアクターにCFTを投入することで、稲藁分解効率を向上させる効果を奏することを勘案すると、実際には、実施例1の方がより多くのグルコースを分解しているものと考えられた。即ち、稲藁分解効率が向上すれば、稲藁の分解生成物たるグルコースの生成量も増加するので、実施例1の方が比較例1よりもグルコース生成量が多かったと考えられる。それにも関わらず、実験期間中において、両者のグルコース濃度に差が見られなかったということは、実施例1の方がグルコースをより多く分解したことで、グルコース生成量が少ない比較例1と同等のグルコース濃度まで低減できたことを意味していると考えられた。 However, as described above, in consideration of the effect of improving rice straw decomposition efficiency by introducing CFT into the reactor containing the methane fermentation broth, in practice, Example 1 has more glucose. It was thought that it was disassembling. That is, if the decomposition efficiency of rice straw is improved, the production amount of glucose, which is a decomposition product of rice straw, is also increased. Therefore, it is considered that Example 1 had a larger amount of glucose production than Comparative Example 1. Nevertheless, during the experimental period, the fact that there was no difference in the glucose concentration between the two was the same as in Comparative Example 1 in which the amount of glucose produced was smaller in Example 1 due to more decomposition of glucose. It was thought that it was able to reduce to the glucose concentration of.
以上の結果から、メタン発酵液を収容したリアクターにCFTを投入することで、稲藁の分解生成物たるグルコース分解能を向上させる効果を奏することが明らかとなった。 From the above results, it was clarified that by introducing CFT into the reactor containing the methane fermentation broth, it was possible to improve the resolution of glucose, which is a decomposition product of rice straw.
(5)原核生物とメタン菌の定量PCR結果
比較例1の発酵液及び実施例1の発酵液に存在していた原核生物及びメタン菌の定量PCRによるコピー数、実施例1のCFTに保持されていた原核生物及びメタン菌の定量PCRによるコピー数を確認した結果を表1に示す。
(5) Quantitative PCR results of prokaryotes and methane bacteria The copy number of the prokaryotes and methane bacteria present in the fermentation liquid of Comparative Example 1 and the fermentation liquid of Example 1 by quantitative PCR, retained in the CFT of Example 1 Table 1 shows the results of confirming the copy number of the prokaryote and methane bacteria by quantitative PCR.
比較例1の発酵液及び実施例1の発酵液に存在していた原核生物及びメタン菌の定量PCRによるコピー数に大きな差は見られなかった。このことから、実施例1と比較例1の間の実験結果の相違は、CFTに担持されている微生物により奏されていることが示唆された。 There was no significant difference in the copy number by quantitative PCR of prokaryotes and methane bacteria present in the fermented liquid of Comparative Example 1 and the fermented liquid of Example 1. From this, it was suggested that the difference in the experimental results between Example 1 and Comparative Example 1 was achieved by the microorganisms supported on CFT.
(6)T−RFLPによる古細菌群集構造の比較
末端断片長多型解析(T−RFLP)により、全菌のうち、細菌を除く古細菌の群集構造を比較した。結果を図7に示す。図7中、Aは比較例1の発酵液中の細菌、Bは実施例1の発酵液中の細菌、Cは実施例1のCFT上に保持されていた細菌に関する結果である。
(6) Comparison of archaeal community structure by T-RFLP By end fragment length polymorphism analysis (T-RFLP), the archaea community structure excluding bacteria was compared among all bacteria. The results are shown in FIG. In FIG. 7, A is the result regarding the bacteria in the fermented liquid of Comparative Example 1, B is the result of the bacteria in the fermented liquid of Example 1, and C is the result regarding the bacteria retained on the CFT of Example 1.
また、TAクローニングにより古細菌群集の構造を解析した結果を表2に示す。 Table 2 shows the results of analyzing the structure of archaeal communities by TA cloning.
図7及び表2に示される結果から、CFT上には、メタノサルシナ(Methanosarcina)属に属するMethanosarcina thermophilaが優占的に保持されており、さらに、メタノサーモバクター(Methanothermobacter)属に属するMethanothermobacter thermautotrophicus、メタノバクテリウム(Methanobacterium)属に属するMethanobacterium formicicumが保持されていた。特に、メタノサルシナ(Methanosarcina)属に属するMethanosarcina thermophilaは発酵液と比較すると圧倒的に高い割合でCFT上に保持されていた。 From the results shown in FIG. 7 and Table 2, Methanosarcina thermophila belonging to the genus Methanosarcina is dominantly retained on the CFT, and further, Methanothermobacter thermautotrophicus belonging to the genus Methanothermobacter. Methanobacterium formicicum belonging to the genus of bacteria (Methanobacterium) was retained. In particular, Methanosarcina thermophila belonging to the genus Methanosarcina was retained on CFT at an overwhelmingly high rate compared to the fermentation broth.
ここで、メタノサルシナ属に属する微生物は酢酸資化性メタン菌であり、メタノサーモバクター属及びメタノバクテリウム属に属する微生物は水素資化性メタン菌である。したがって、CFT上に酢酸資化性メタン菌を優占的に担持させることができ、さらに、水素資化性メタン菌を担持させることも可能であることが明らかとなった。 Here, the microorganism belonging to the genus Methanosarcina is an acetic acid-assimilating methane bacterium, and the microorganisms belonging to the genus Methanotherbacter and the genus Methanobacteria are hydrogen-assimilating methane bacteria. Therefore, it has been clarified that acetic acid-assimilating methane bacteria can be preferentially supported on CFT, and further, hydrogen-assimilating methane bacteria can also be supported.
そして、上記の通り、実施例1では、揮発性脂肪酸の蓄積が抑えられて、メタンガス生成が持続したものと考えられた。このことを勘案すると、発酵液にCFTを接触させることによって、CFTに酢酸資化性メタン菌を優占的に担持させることができる結果として、発酵液中の揮発性脂肪酸の蓄積が抑えられて、メタンガス生成を持続させることができるものと考えられた。 And as above-mentioned, in Example 1, it was thought that accumulation | storage of a volatile fatty acid was suppressed and methane gas production | generation continued. Considering this, as a result of bringing CFT into contact with the fermentation broth, it is possible to preferentially carry acetic acid-assimilating methane bacteria on the CFT, and as a result, accumulation of volatile fatty acids in the fermentation broth is suppressed. It was thought that methane gas production could be sustained.
さらに、この結果から、酢酸資化性メタン菌は発酵液中のような親水性の環境よりも、疎水性の環境において保持・増殖させやすいことが明らかとなった。このことから、CFTに限らず、ポリエチレンやポリプロピレンといった疎水性の担体上に酢酸資化性メタン菌を優占的に担持できるものと考えられた。また、水素資化性メタン菌についても、疎水性の担体上に保持できるものと考えられた。 Furthermore, it was clarified from this result that acetic acid-assimilating methane bacteria are easier to maintain and grow in a hydrophobic environment than in a hydrophilic environment such as in a fermentation broth. Therefore, it was considered that not only CFT but also acetic acid-assimilating methane bacteria can be preferentially supported on a hydrophobic carrier such as polyethylene or polypropylene. It was also considered that hydrogen-utilizing methane bacteria could be retained on a hydrophobic carrier.
(7)T−RFLPによる細菌群集構造の比較
末端断片長多型解析(T−RFLP)により、全菌のうち、古細菌を除く細菌の群集構造を比較した。結果を図8に示す。図8中、Aは比較例1の発酵液中の細菌、Bは実施例1の発酵液中の細菌、Cは実施例1のCFT上に保持されていた細菌に関する結果である。
(7) Comparison of bacterial community structure by T-RFLP By terminal fragment length polymorphism analysis (T-RFLP), the bacterial community structure of all bacteria except archaea was compared. The results are shown in FIG. In FIG. 8, A is the result regarding the bacteria in the fermented liquid of Comparative Example 1, B is the result of the bacteria in the fermented liquid of Example 1, and C is the result regarding the bacteria retained on the CFT of Example 1.
また、TAクローニングにより細菌群集の構造を解析した結果を表3に示す。 Table 3 shows the results of analyzing the structure of the bacterial community by TA cloning.
まず、TAクローニングの結果から、CFT上には、クロストリジウム(Clostridium)属に属する微生物であるClostridium thermocellum近縁種(相同性85・86%)やClostridium cellulolyticum近縁種(相同性81%)が保持されていた。また、アナエロバクルム(Anaerobaculum)属に属する微生物であるAnaerobaculum mobileが保持されていた。 First, from the results of TA cloning, Clostridium thermocellum related species (85.86% homology) and Clostridium cellulolyticum related species (81% homology) are retained on CFT. It had been. Moreover, Anaerobaculum mobile which is a microorganism belonging to the genus Anaerobaculum was retained.
ここで、クロストリジウム属に属する微生物は嫌気性セルロース分解菌である。また、アナエロバクルム(Anaerobaculum)属に属する微生物は、糖類、特にグルコースを分解する糖分解菌である。したがって、CFT上に嫌気性セルロース分解菌を担持させることが可能であり、さらに、糖分解菌を担持させることも可能であることが明らかとなった。 Here, microorganisms belonging to the genus Clostridium are anaerobic cellulose-degrading bacteria. A microorganism belonging to the genus Anaerobaculum is a saccharide-decomposing bacterium that degrades saccharides, particularly glucose. Therefore, it has been clarified that an anaerobic cellulose-decomposing bacterium can be supported on the CFT, and further, a saccharide-decomposing bacterium can be supported.
また、図8に示される結果から、Aで検出されたフラグメントは8種であったのに対し、Bでは10種、Cでは11種であり、BとCで得られたフラグメントの合計は14種であることが確認された。この結果から、CFTを備えたリアクター内では細菌が多様化が見られることが明らかとなった。 Further, from the results shown in FIG. 8, there were 8 fragments detected in A, whereas 10 fragments in B and 11 fragments in C. The total number of fragments obtained in B and C was 14 It was confirmed to be a seed. From this result, it was clarified that bacteria were diversified in the reactor equipped with CFT.
また、A、B及びCのいずれにおいても、84、92、148、262、464および545bpの6種のフラグメントが検出された。これに対し、BとCでは、Aでは検出されなかった82、91、132、199、270、277、280及び465bpの8種のフラグメントが検出された。したがって、CFTを備えた実施例1の細菌群集は、CFTを備えていない比較例1の細菌群集とは明らかに相違していることが明らかとなった。 In any of A, B, and C, six types of fragments of 84, 92, 148, 262, 464, and 545 bp were detected. In contrast, in B and C, 8 types of fragments of 82, 91, 132, 199, 270, 277, 280 and 465 bp that were not detected in A were detected. Therefore, it was revealed that the bacterial community of Example 1 with CFT was clearly different from the bacterial community of Comparative Example 1 without CFT.
したがって、微生物群集としてメタン発酵汚泥を用い、メタン発酵液にCFTを添加することで、CFT上で細菌群集を多様化させてセルロース分解を促進できる可能性が示唆された。 Therefore, it was suggested that by using methane fermentation sludge as the microbial community and adding CFT to the methane fermentation solution, the bacterial community can be diversified on CFT to promote cellulose degradation.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013202534A (en) * | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Central Research Institute Of Electric Power Industry | Decomposition treatment method of cellulose-based organic matter |
JP2020006291A (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-16 | 日立造船株式会社 | Creation method of prediction information for predicting biogas generation amount and utilization of the prediction information |
WO2022102192A1 (en) * | 2020-11-13 | 2022-05-19 | 株式会社神鋼環境ソリューション | Lignocellulose decomposition system and lignocellulose decomposition method |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006325581A (en) * | 2005-04-26 | 2006-12-07 | Ebara Corp | Nucleotide primer for evaluation of methane-fermenting microbial system and evaluation method using the same |
-
2009
- 2009-12-07 JP JP2009277886A patent/JP5323662B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006325581A (en) * | 2005-04-26 | 2006-12-07 | Ebara Corp | Nucleotide primer for evaluation of methane-fermenting microbial system and evaluation method using the same |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
JPN6013017590; J.Biosci.Bioeng.,2009 Aug,108(2),p.130-5 * |
JPN6013017593; 第60回日本生物工学会大会講演要旨集,2008 Jul 11,p.198,2Hp01 * |
JPN6013017596; Zhang Z.et al.: 'Evaluation of different anaerobic digestion systems for biogasification of rice straw' Papar No.98-4142,An ASAE Meeting Presentation,American Society of Agricultural Engineers,1998,p.1-14 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013202534A (en) * | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Central Research Institute Of Electric Power Industry | Decomposition treatment method of cellulose-based organic matter |
JP2020006291A (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-16 | 日立造船株式会社 | Creation method of prediction information for predicting biogas generation amount and utilization of the prediction information |
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